Основы теории и практики анализа электромагнитных излучений и защиты рабочих мест высокочастотного электротермического оборудования

Высокочастотный нагрев металлов и диэлектриков находит широкое применение в различных областях промышленности (строительство, электротехника, машиностроение, медицина, пищевые отрасли и др.). Увеличение числа и мощности промышленных высокочастотных (ВЧ) установок обусловливает необходимость исследования электромагнитных полей (ЭМП) не только в геометрической области нагреваемого материала, но и ЭМП, излучаемых во внешнее пространство. Последние являются причиной как достаточно мощных радиопомех, так и гигиенически значимых доз облучения персонала в производственных помещениях.

Анализ результатов аттестации рабочих мест ВЧ электротермического оборудования на промышленных предприятиях России показывает, что примерно на 60 — 70% рабочих мест условия труда могут быть отнесены к 3-му и 4-му классам вредности, причем подавляющее большинство случаев превышения ПДУ ЭМП на рабочих местах (до 90%) связано с осуществлением ограниченного ряда технологических операций — ВЧ сварка термопластов, нагрев диэлектриков в конвейерных установках, индукционная закалка, пайка и наплавка, индукционная плавка в бессердечниковых печах и сквозной нагрев перед прессованием. Из-за высокой ВЧ облучаемости рабочих мест растут показатели заболеваемости производственного персонала и текучести кадров.

Проблема защиты рабочих мест от ВЧ облучения тесно связана с двумя научными направлениями.

Первое, которое можно назвать «техническим», относится к вопросам проектирования и эксплуатации ВЧ электротермического оборудования. Большой вклад в создание научных основ проектирования электротермических установок внесли известные отечественные ученые В. П. Вологдин, А. Е. Слухоцкий, А. С. Васильев, Ф. В. Безменов, А. Н. Шамов, Н. П. Глуханов, И. Г. Федорова, Вс.П.Вологдин, А. В. Донской, А. А. Фрумкин, В. С. Немков, К. З. Шепеляковский, Г. И. Бабат, М. Г. Лозинский и др.

Второе направление можно назвать «медико-биологическим». Оно связано в первую очередь с исследованием воздействия ВЧ ЭМП на биологические объекты. Широкие исследования в этой области было начато в нашей стране в 60-е годы, был накоплен обширный клинический материал о неблагоприятном действии ЭМП, который явился основой при разработке нормативных документов и обоснования предельно-допустимых уровней (ПДУ) электромагнитных воздействий в промышленных условиях. Нельзя не отметить таких отечественных исследователей как З. В. Гордон, А. Г. Суббота,.

Т.В.Каляда, Б. М. Савин, Ю. Г. Григорьев, Ю. П. Пальцев, В. Н. Никитина, В. О. Самойлов, Б. И. Давыдов, Е. А. Лобанова, К. В. Никонова, А. С. Пресман, М. Г. Шандала, Б. А. Чухловин, Ю. А. Холодов и многих других.

К сожалению, оба отмеченных научных направления развиваются в общем изолированно и независимо друг от друга (в качестве исключения отметим исследования Ю. А. Осипова, К. В. Никоновой, П. П. Фукаловой, В. А. Франке, выполненные в начале 60-х годов). На сегодняшний день практически отсутствуют научные исследования, выполненные на основе «технического» и «медико-биологического» направлений, применительно к решению проблемы обеспечения защиты рабочих мест ВЧ электротермического оборудования от электромагнитного облучения. Результатом этого является: во-первых практически полное отсутствие методов теоретической оценки и прогноза облучаемости персонала, основанных на реальных требованиях производственных процессов нагрева и параметрах установок (методы оценки носят в основном экспериментальный характер, причем результаты полученные для отдельной технологической операции на одной установке, не всегда могут быть распространены на рабочие места других установок или даже на той же самой установки, но при другом технологическом режиме) — во-вторых, чрезвычайная скудость методов и рекомендаций по снижению облучаемости рабочих мест (в качестве основного метода рекомендуется применять замкнутые металлические экраны, установка которых в значительном числе случаев затруднена или невозможна) — в третьих, в производственных условиях до сих пор применяются методики оценки облучаемости, ориентированные на устаревшую нормативную и приборную базу и выведенные из эксплуатации ВЧ установки. Выраженная специфика облучения рабочих мест ВЧ электротермического оборудования также не позволяет механически распространить на них полученные ранее результаты анализа и снижения облучаемости от других источников (например, от антенн и генераторов радиопередающих устройств, линий электропередач и др.).

Также можно отметить, что достигнутые в последние годы успехи математического моделирования электромагнитных полей практически не распространились на область охраны труда. Сложности построения математических моделей, алгоритмической и программной реализации методов расчета ЭМП на рабочих местах по отношению к возможностям инженера, у которого возникла подобная задача, сейчас остаются главными препятствиями на пути их широкого использования.

Настоящая диссертационная работа посвящена проблеме защиты рабочих мест персонала, обслуживающего ВЧ электротермические установки.

Целью работы является научное обоснование комплекса организационных и технических мероприятий по защите рабочих мест высокочастотного электротермического оборудования от электромагнитных полей, разработанного на основе теоретических положений, базирующихся на едином методологическом подходе к построению математических моделей электромагнитных процессов на этапах анализа и снижения облучаемости.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:

1. Впервые разработаны теоретические основы анализа облучаемости и обеспечения защиты рабочих мест персонала ВЧ электротермического оборудования.

2. Базируясь на теоретических основах, построены математические модели для расчета напряженностей ЭМП и энергетических экспозиций на рабочих местах, проведены теоретическая и экспериментальная проверки результатов моделирования в производственных условиях.

3. Разработана математическая модель для расчета электрического поля в биологическом объекте — теле оператора электротермической установки. Проведены исследования влияния электромагнитных полей на операторов ВЧ установок, выработаны методы снижения этого влияния.

4. Проведены полные теоретико-эмпирические исследования облучаемости рабочих мест для электротехнологических процессов, характерных наибольшими электромагнитными излучениями. Исследован вопрос о виде статистического распределения погрешностей измерений, предложены мероприятия по снижению их влияния на результаты.

5. Разработаны, ориентированные на практическое использование, классификации методов защиты рабочих мест, а также защитных электромагнитных экранов ВЧ электротермических установок.

6. Предложены к использованию локальные электромагнитные защитные экраны, обоснованы их основные конструкции, разработаны математические модели для расчета характеристик данных конструкций, проведена верификация результатов моделирования в производственных условиях.

7. Проведена апробация результатов исследования в производственных условиях и выработаны рекомендации по защите рабочих мест от электромагнитного облучения с учетом специфики ВЧ электротермического оборудования.

На защиту выносятся следующие основные положения, составляющие научную новизну:

1. Впервые разработанные основы теории анализа электромагнитных излучений и защиты рабочих мест, базирующиеся на требованиях технологических процессов ВЧ нагрева.

2. Обоснование использования метода вторичных источников для расчета электромагнитных процессов при анализе облучаемости рабочих мест, расчете электромагнитного поглощения в биологических объектах, расчете эффективности локальных электромагнитных экранов.

3. Разработанные математические модели для расчета электромагнитных процессов, построенные на основе метода вторичных источников:

— электрического поля внутри биологического объекта (оператора ВЧ установки);

— электрического и магнитного полей от рабочих конденсаторов ВЧ установок;

— электрического и магнитного полей от ВЧ индукторов с загрузкой;

— эффективности локальных электромагнитных экранов индукторов и рабочих конденсаторов.

4. Разработанная классификация защитных электромагнитных экранов ВЧ электротермического оборудования, в которую введены локальные экраны рабочих элементов и технологической оснастки.

5. Впервые разработанная классификация методов защиты рабочих мест ВЧ электротермического оборудования от электромагнитного облучения.

Практическая ценность работы:

1. Исследованы зависимости мощности, поглощаемой телом оператора, от параметров внешнего ЭМП, от вида напольного покрытия, обувных материалов и одежды. Выработаны рекомендации по снижению этого неблагоприятного влияния.

2. Разработаны алгоритмы и программы расчета напряженностей электрического и магнитного полей, а также времени облучения рабочих мест, ориентированные на использование в практике проектирования и эксплуатации ВЧ электротермических установок. Для процедур численного расчета исследованы условия сходимости и устойчивости решений.

3. Для ряда электротехнологических процессов, характерных наибольшим ВЧ облучением рабочих мест, получены зависимости напряженностей электрического и магнитного полей от характеристик нагреваемых материалов и от конструктивно-технологических параметров рабочих элементов — конденсаторов и индукторов.

4. Разработаны алгоритмы и программы расчета основных характеристик локальных экрановисследованы: эффективность ослабления ЭМП на рабочих местах, эффективность ослабления радиопомех, степень влияния на колебательные цепи экранированных рабочих элементов.

5. Предложен метод территориального разноса источника ЭМП и рабочего места, реализуемый как самостоятельно (в случаях небольших превышений.

ПДУ на рабочих местах), так и в комплексе с локальными защитными экранами.

6. Разработаны рекомендации по анализу облучаемости рабочих мест и методам защиты, ориентированные на практическое использование в условиях производства.

7. Реализация внедренного комплекса методов защиты рабочих мест от ВЧ электромагнитного облучения позволила обеспечить допустимые условия труда на рабочих местах эксплуатируемых установок.

Результаты исследований, выполненных в данной диссертационной работе, нашли свое отражение в виде «Рекомендаций по эксплуатации высокочастотного электротермического оборудования с учетом требований электромагнитной совместимости и безопасности персонала», утвержденной к использованию во Всероссийском научно-исследовательском институте токов высокой частоты (ВНИИ ТВЧ) им. В. П. Вологдина. Результаты работы также внедрены и использованы в ООО ПО «Киришинефтеоргсинтез», ОАО «Ленморниипроект», ООО «Транс Бот», ОАО «Квернер Выборг Верфь» и других.

Отдельные пололжения и результаты диссертационной работы вошли в Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1999 году», подготовленный Государственным комитетом Российской Федерации по охране охране окружающей среды, а также в Справочно-аналитический обзор «Экологическая обстановка в Санкт-Петербурге и Ленинградской области» за 1998 г., выпущенный Государственным комитетом по охране окружающей среды Санкт-Петербурга и Ленинградской области.

Результаты дозиметрических исследований (глава 3 диссертационной работы) нашли свое отражение в последней редакции международного «Справочника по радиочастотной дозиметрии» («Radiofrequency Radiation Dosimetry Handbook»).

Отдельные положения диссертационной работы также используются в учебных процессах Балтийского государственного технического университета «Военмех», Государственного предприятия дополнительного профессионального образования «Центр охраны труда, промышленной безопасности и социального партнерства», Объединенного Санкт-Петербургского научного центра по фундаментальным проблемам механики жидкости, газа, плазмы, акустики и экологической безопасности.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 11-м Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости — ЕМС-92 (г. Вроцлав, Польша, 1992 г.), на 40-й международной научно-практической конференции по электротехнологиям в промышленности (г. Ильменау, Германия, 1995 г.), на 2-м и 3-м Международных симпозиумах по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии — ЭМС-95, ЭМС-97 (г. Санкт-Петербург, 1995, 1997 гг.), на 1-й и 2-й Международных конференциях «Проблемы электромагнитной безопасности человека. Фундаментальные и прикладные исследования» (г. Москва, 1996, 1999 гг.), на 4-й и 6-й Российских научно-технических конференциях «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов» — ЭМС-96, ЭМС-98 (г. Санкт-Петербург, 1996, 1998 гг.), на заседании школы-семинара «Медико-биологическое действие электромагнитных полей и излучений (г. Санкт-Петербург, 1996 г.), на 1-м Международном конгрессе «Слабые и сверхслабый поля и излучения в биологии и медицине» (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), на 1-й, 2-й, 3-й и 4-й Всероссийских научно-практических конференциях «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (г. Санкт-Петербург, 1996, 1997, 1998, 1999 гг.), на 2-ой Международной конференции «Экология и развитие Северо-запада России» (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), на семинаре «Экология морских портов» (г. Пушкин, 1997 г.), на научно-практической конференции «Промышленная экология» (г. Санкт-Петербург, 1997 г.), на 2-м Международном конгрессе «Фундаментальные проблемы естествознания» (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы и достижения в области сварки, родственных технологий и оборудования» (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), на Международном семинаре «Передовые исследования в области дозиметрии радиочастотных излучений» (г. Годз Мартульек, Словения, 1998 г.), на российской конференции «Атмосфера и здоровье человека» (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), на научно-практическом семинаре «Опыт работы по аттестации рабочих мест по условиям труда и сертификации производственных объектов на соответствие требованиям охраны труда в ООО ПО «Ки-ришинефтеоргсинтез» (г. Санкт-Петербург, 1998 г.), на научно-практических семинарах «Организация работы по аттестации рабочих мест по условиям труда и травмобезопасности» (г. Санкт-Петербург, 1999, 2000 гг.).

Отдельные результаты работы докладывались на заседании сессии Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений (г. Москва, 1999 г.), на заседаниях Русского географического общества, (г. Санкт-Петербург, 1997, 1998 гг.), на заседаниях профессорско-преподавательского состава кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности Балтийского государственного технического университета «Военмех» (1997, 1998, 1999 гг.).

Публикапии.По теме диссертации опубликовано 64 работы. Основное содержание диссертации изложено в монографии: Рудаков М. Л. «Электромагнитная безопасность в промышленности» — СПб., Политехника, 1999. — 91 е., а также в брошюре: Рудаков М. Л. «Электромагнитные поля и безопасность населения» — СПб., Изд-во Русского географического общества, 1998. 32 с.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Работа изложена на 363 страницах машинописного текста, содержит 77 таблиц и 93 рисунка.

Список литературы

включает 238 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов.

Основные выводы по главе 7.

Предмет исследования Метод исследования Результаты исследования.

1. Возможность применения защитных методов, не предполагающих электромагнитное экранирование Экспериментальные исследования, математическое моделирование Реализация методов (территориальный разнос, защита временем) возможна, только для «благоприятных» условий облучения, когда ПДУ превышаются не более, чем в 1,5 — 2 раза. Это имеет место при низкоинтенсивной работе нагревательных установок с «короткими» индукторами. Однако, применение методов этой группы весьма желательно в сочетании с л о.

Продолжение табл. 7.9 кальными экранами и использованием СИЗ. Общим методом этой группы является выключение установки в паузах между технологическими операциями — индуктор на холостом ходу без загрузки порождает существенно большие ЭМП на рабочих местах, которые даже для коротких закалочных индукторов могут. превосходить ПДУ по магнитному полю для кратковременных воздействий.

2. Выбор конфигурации локальных экранов Экспериментальные исследования, анализ пространственного распределения магнитного поля Локальные экраны плоской, уголковой и цилиндрической форм, выполненные из металлических листов или металлических сеток, и обеспечивающие перекрытие пространственных максимумов магнитного поля на рабочем месте.

3. Размер участков разбиения локальных экранов, необходимый для достижения требуемой точности расчета Математическое моделирование Для цилиндрических экранов: высота пояска разбиения при котором на расстоянии 5 см от экрана обеспечивается заданная точность составляет 8 ммесли представляет интерес поле на расстояниях, составляющих более 30 см от экрана, то размер поясков может быть увеличен до 10 — 12 мм. Для вычисления потерь мощности в экране и степени ослабления поля в индукторе, необходимый размер поясков составляет не более 2 — 4 мм для разных соотношений радиусов индуктора и экрана. Для плоских экранов: размер квадратных площадок разбиения примерно составляет 3×3 см. При этом уровне дискретизации обеспечивается требуемая точность расчета поля на рабочем месте, и решения относительно устойчивы.

4. Эффективность экранирования цилиндрическими локальными экранами, реализуемыми на практике Математическое моделирование, экспериментальные исследования На рабочих местах закалочных установок с короткими индукторами — 4 — 9 раз (в зависимости от высоты экрана), что позволяет соблюсти ПДУ. На рабочих местах установок с соленоидальными индукторами — 3 — б раза, что в ряде случаев требует дополнительных мер (защиты временем и расстоянием). Эффективность ослабления радиопомех — не более 6 — 11 дБ.

5. Оценка влияния локальных цилиндрических экранов на индукторы Математическое моделирование Радиус экрана, не оказывающего на «короткий» индуктор недопустимого влияния, должен быть не менее 2,5 — 3-х радиусов индуктора, причем наиболее «чувствительным» параметром влияния является относительное ослабление магнитного поля индуктора. Радиус экрана, не оказывающего на «длинный» индуктор недопустимого влияния, должен быть не ме.

Продолжение табл. 7.9 нее 3 — 4-х радиусов индуктора.

6. Эффективность экранирования плоскими локальными экранами, реализуемыми на практике Математическое моделирование, экспериментальные исследования Для рабочих мест ВЧ установок с «короткими» индукторами — не более 2−7 разЭффективность ослабления радиопомех — не более 2 — 4 дБ. С увеличением площади поверхности экрана на 1 см² эффективность экранирования в области рабочего места увеличивается на 4 — 9%- с приближением экрана к индуктору эффективность растет несколько слабее — на 2 — 4% с уменьшением расстояния на 1 см. Плоские экраны могут быть рекомендованы к использованию для индукторов, внешние магнитные поля которых превышают ПДУ не более, чем в 3 — 5 раз, т. е. в основном для «коротких» индукторов.

7. Эффективность экранирования уголковыми экранами Эксперимен-таьные исследования Примерно на 20 — 40% выше, чем при использовании плоских экранов. Эффективность на рабочих местах установок с соле-ноидальными индукторами — 3 — 5 раз.

8. Оценка влияния локальных плоских экранов на индукторы Математическое моделирование Влияние плоских экранов на индукционную установку достаточно мало, и в этой связи их можно располагать практически вплотную к индуктору (на расстоянии от витков, приблизительно равном радиусу индуктора) — ограничением здесь являются только удобство загрузки и работы.

9. Особенности использования СИЗ Математическое моделирование, эксперименты на добровольцах Повышение температуры цилиндрического слоя металлической сетки СИЗ, размещенного вблизи мощных индукторов может достигать + 7. + 10 °C для стальных сеток и + 2. + 4 °C для латунных.

1. Как и в случае ВЧ установок для нагрева диэлектриков (см. главу № 5), защиту рабочих мест установок для индукционного нагрева металлов необходимо проводить по схеме «от простого к сложному». Вначале производится оценка возможности применения территориального разноса индуктора и рабочего места (только для коротких индукторов), далее рассматриваются локальные незамкнутые экраны, замкнутые экраны и, наконец, средства индивидуальной защиты. Отметим, что методы, не предполагающие защитное электромагнитное экранирование индукторов могут быть применены самостоятельно только в очень ограниченном числе «благоприятных» случаев облучения, когда превышения ПДУ не превосходят 1,5 — 2,5. Однако, их применение оправдано как дополнительная мера к локальным экранам и средствам индивидуальной защиты. Особо следует оговорить необходимость применения такого организационного метода защиты как ограничение облучения персонала от индуктора на холостом ходу в паузах между технологическими операциями. Следует отметить, что ранее (см. главу 1) ни метода территориального разноса, ни детального исследования характеристик локальных экранов индукторов не проводилось.

2. Рекомендуемая последовательность выбора локальных экранов такова: 1) плоский экран из мелкоячеистой латунной сетки на металлической раме- 2) плоский сплошной экран из немагнитного металла- 3) сплошной экран уголковой формы с поддоном- 4) сетчатый или сплошной цилиндрический (коробчатый) экран, открытый с обоих торцов и с одного торца- 5) замкнутый металлический экран.

Увеличение порядкового номера в данной последовательности сопровождается ростом эффективности экранирования, но и увеличением степени влияния экрана на ВЧ установку, которое также необходимо оценивать либо по методу вторичных источников, либо аналитически, по предложенным в данной главе выражениям (для экранов рабочих конденсаторов этот вопрос практически не стоял, в силу относительно малой интенсивности магнитного поля, индуцирующего вихревые токи в экранах).

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют заключить, что локальные экраны индукторов удовлетворяют всем требованиям к экранам ВЧ установок (см. главу 2), что позволяет в ряде практических случаев применять их вместо громоздких замкнутых экранов. Отметим, что до использования средств защиты условия труда относились к 3-му и даже 4-му классам вредности (см. главу 6).

При защите от ЭМП «коротких» индукторов, применяемых при закалке, пайке, наплавке, локальные экраны эффективно защищают рабочее место от ВЧ облучения, и условия труда при их использовании могут быть отнесены ко 2-му (допустимому) классу, поскольку ПДУ не превышаются.

При защите от ЭМП «длинных» индукторов (плавка) необходимый размер цилиндрических и плоских локальных экранов может быть чрезмерно велик, поэтому, исходя из конкретных условий, следует либо закрывать верхний торец экрана, либо ограничивать пребывание персонала вблизи печи в рабочем режиме. Таким образом, при защите рабочих мест многовитковых индукторов для достижения допустимого класса условий труда локальное экранирование следует дополнять территориальным разносом либо ограничением по времени.

3. Метод вторичных источников, используемый для расчета поверхностной плотности вихревых токов, позволяет достаточно эффективно производить вычисления поверхностной плотности вихревых токов, используемых при расчетах эффективности локальных экранов, потерь мощности в экранах,.

327 ослабления магнитного поля индуктора и активного сопротивления, вносимого экраном в колебательную цепь (отметим, что ранее подобный «универсальный» подход не применялся).

Результаты расчета обладают устойчивостью и удовлетворительной точностью, оцененной путем сравнения с результатами расчета по аналитическим методам и данными натурных измерений. Апробация результатов численного моделирования в производственных условиях (экраны, рассчитанные по МГИУ) показала достаточно высокую эффективность метода, рекомендуемого к широкому практическому использованию, особенно при комплексном исследовании возможных экранных конструкций.

Оценку эффективности в производственной практике также можно производить по предложенным в данной главе аналитическим выражениям, которые ддя реальных цилиндрических и прямоугольных экранов дают несколько заниженный результат, и поэтому могут быть названы «инженерными» формулами. Тем не менее, вначале рекомендуется проводить оценку именно по ним, а к численным (более сложным) расчетам прибегать, если расчитанные необходимые размеры экрана слишком велики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные исследования, изложенные в настоящей диссертационной работе, определили следующие выводы и результаты:

1. Впервые разработаны теоретические основы анализа облучаемости и обеспечения защиты рабочих мест персонала высокочастотного электротермического оборудования. Методологический подход к анализу облучаемости рабочих мест, выбору и расчету защитных мероприятий, основан на технологических особенностях процессов высокочастотного нагрева и предполагает расчет электромагнитных процессов методом вторичных источников, который обеспечивает простоту расчетных моделей при необходимой точности и устойчивости получаемых решений. Последовательные этапы анализа электромагнитных полей на рабочих местах таковы: 1) определение времени нагрева и удельной мощности, передаваемой в нагреваемое тело- 2) определение тока и напряжения на технологической оснастке- 3) расчет напряженностей ЭМП и энергетических нагрузок в рабочей зоне- 4) сравнение с предельно-допустимыми уровнями электромагнитных воздействий.

В рамках экспериментальных исследований выполнена проверка гипотезы о нормальном характере распределения ошибок измерений напряженностей поля на рабочих местах, предложены методы снижения систематических, случайных и грубых погрешностей измерений напряженностей поля на рабочих местах, ориентированные на использование типовых измерительных приборов, что позволяет повысить достоверность результатов экспериментальных исследований ЭМП.

2. Проведены дозиметрические исследования ЭМП, влияющих на операторов ВЧ установок. В рамках этих исследований: разработаны эмпирические зависимости электрических параметров биологических тканей в высокочастотном диапазоне, предложен метод сведения гетерогенного биологического объекта к гомогенному для сферической, цилиндрической гетерогенных моделей, а также для неупорядоченной статистической модели биообъекта в полный рост, выведено регуляризованное интегральное уравнение математической модели электрического поля внутри биологического объекта. Проведены исследования зависимости удельной поглощенной мощности от типа напольного покрытия в производственных помещениях, а также от обуви и одежды оператора. Показано чрезвычайно неблагоприятное влияние проводящих и влажных полов на уровень поглощаемой мощности, показано, что зазоры между ступнями ног и полом позволяют существенно снизить электромагнитное поглощениеданы рекомендации по использованию обувных материалов с низкими значениями удельной проводимости, а также диэлектрических подстилок малой толщины. Верификация результатов моделирования производилась как сравнением с результатами расчета по методу конечных разностей во временной области, так и путем измерений токов, протекающих через лодыжку оператора ВЧ сварочной установки, стоящего поочередно на двух типах имитаторов напольных покрытий — пенополистйроле и металлическом листе.

Проведенные исследования также позволили заключить, что на частотах ВЧ электротермического оборудования параметры одежды достаточно слабо влияют на уровень поглощенной мощности. Исследовано удельное поглощения в запястьях рук операторов ВЧ сварочной установки при ручной загрузке рабочих конденсаторов. Показано, что этот параметр в запястьях женщин-операторов выше, чем у мужчин, и что наиболее неблагоприятной позицией рук является «по центру» протяженного сварочного электрода. Предложен ряд методов уменьшения электромагнитного поглощения, основным из которых, является снижение уровней ЭМП на рабочих местах до значений, нормированных в российских стандартах.

3. Базируясь на теоретических основах, для рабочих мест установок для ВЧ нагрева диэлектриков (сварка, сушка, предварительный подогрев), характерных доминированием электрического поля, разработаны математические модели электрического и магнитного полей, основанные на методе вторичных источников. Выбранный уровень дискретизации расчетной области позволил получать решения с требуемой точностью — 20 — 30%, определяемой основной погрешностью измерительных приборов. При использовании электродов значительных линейных размеров, когда порядок дискретизации существенно влиял на устойчивость решений, был использован процесс регуляризации решаемой матрицы, основанный на вариационном принципепараметр регуляризации определялся по невязке.

Результаты анализа облучаемости верифицировались путем сравнения с данными полученными другими аналитическими и численными методами (метод конформных отображений, метод Грина и др.), а также путем измерений на проектируемых и действующих установках.

Проведенные исследования зависимости облучаемости от ряда технологических параметров (вид нагреваемого материала, его теплофизические свойства, скорость нагрева, размеры электродов и токоподводов, частота поля) позволили выявить наиболее неблагоприятные ситуации облучения, на которые необходимо ориентироваться при выборе защитных мероприятий. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования также позволили выявить пространственные максимумы электрического поля на рабочих местах вблизи протяженных конденсаторных конструкций.

4. Базируясь на теоретических основах, для рабочих мест установок для ВЧ индукционного нагрева металлов (закалка, плавка), характерных доминированием магнитного поля, проведен анализ распределения электрического и магнитного полей на рабочих местах витковых и соленоидальных индукторов, выявлены пространственные максимумы полей.

Разработана математическая модель, основанная на методе вторичных источников, позволяющая учесть влияние частично ферромагнитной нагрузки цилиндрических индукторов на параметры облучаемости. Показано, что индукторы без загрузки (на холостом ходу) порождают внешние ЭМП, существенно более интенсивные, чем в нагруженном режиме. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования облучаемости рабочих мест при изменяемых технологических параметрах (глубина закалки, диаметр индукторов, высота индуктирующего провода, наличие частично расплавленной загрузки печи, емкость печи, частота поля) позволили выявить наиболее неблагоприятные ситуации облучения рабочих мест.

5. Предложены к использованию и введены в классификацию локальные защитные электромагнитные экраны, идея которых состоит в перекрытии пространственных областей вблизи излучающих элементов (индукторов и конденсаторов) с наиболее интенсивными ЭМП. Предложенные локальные экраны, позволяющие обеспечить защиту рабочих мест и необходимое подавление радиопомех имеют следующие формы: для рабочих конденсаторов — экраны плоской и уголковой форм, а также вспомогательные электроды сварочных электродов и эластичные шторки окон конвейерных установокдля индукторов — экраны цилиндрической, коробчатой, плоской и уголковой формы. Расчет вторичных источников, которыми заменялись экраны, производился как на основе интегральных уравнений 1-го рода (расчет поверхностной плотности электрических зарядов, расчет «функции тока» плоского экрана индуктора), так и на основе интегральных уравнений 2-го рода (расчет поверхностной плотности вихревого тока наведенного на цилиндрическом экране). Проведена оценка влияния локальных экранов на колебательные цепи с индукторами и рабочими конденсаторами. Проведенные исследования позволили заключить, что для диапазона частот ВЧ электротермического оборудования эффективность экранирования незамкнутыми локальными экранами определяется огибанием ЭМП краев экранов конечных размеров, малых по сравнению с длинами волн основных колебаний ВЧ генераторов.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований эффективности экранов, выполненных из различных материалов, позволили рекомендовать их изготовление как из алюминиевых листов толщиной 0,5 -1 мм, так и из мелкоячеистых металлических сеток, причем последние рекомендуются дня облегчения экранной конструкции, меньшего влияния на колебательные цепи и возможности визуального контроля процесса нагрева.

Для локальных экранов индукторов предложены аналитические выражения, позволяющие оценить потери мощности в экране и ослабление поля внутри индуктора, обусловленное влиянием экрана. Проведены исследования влияния размеров локальных экранов на эффективность экранирования на рабочих местах, эффективность ослабления радиопомех, степень влияния на колебательные цепи ВЧ установок. Разработаны формулы, позволяющие производить оценку эффективности экранирования локальных экранов предложенных форм, ориентированные на использование в производственных условиях.

6. Разработана построенная с учетом специфики ВЧ электротермического оборудования классификация защитных электромагнитных экранов. Основные виды экранов: сплошные металлические оболочки (замкнутые и с отверстиями) — локальные экраны (цельнометаллическиесетчатые и на основе эластичных материалов) — в виде предельных волноводов. Средства индивидуальной защиты (СИЗ) в этой классификации относятся к локальным защитным экранам на основе металлических сеток.

Выработаны требования к защитным электромагнитным экранам ВЧ установок: обеспечение защиты рабочих мест от ЭМП, требуемое подавление радиопомех, физическая реализуемость, отсутствие заметного влияния на характеристики и производительность ВЧ установок.

7. Разработана построенная с учетом специфики ВЧ электротермического оборудования классификация методов защиты рабочих мест. Классификационные признаки методов: объект электромагнитного экранирования (все блоки ВЧ установкине экранируемые рабочие элементы) — место реализации защитного метода (в месте излученияна трассе распространенияна рабочем месте) — степень влияния на установку (воздействующие на качество работы установкине влияющие на качество работы установкиуменьшаемый параметр (электрические и магнитная напряженностивремя облучениясовместно электрические и магнитная напряженности и время облучения), вид используемой информации (на основе текущей информациина основе априорной информации).

8. Показана возможность реализации дополнительных организационных и технических методов защиты рабочих мест: 1) метода территориального разноса источников ЭМП (индукторов и рабочих конденсаторов) и рабочих мест: в качестве самостоятельного метода — при малых (до 2-х раз) превышениях ПДУ на рабочих местахв дополнение к локальным экранам и средствам индивидуальной защиты — при превышениях ПДУ в 7 — 9 раз в случаях, когда установка сплошных замкнутых экранов затруднительна или невозможна- 2) ограничение неэкранированных участков шин токоподвода к сварочным конденсаторам и возможное изменение ориентации шины с вертикальной на горизонтальную- 3). выключение индукторов в паузах между технологическими операциями, когда незагруженный индуктор создает на рабочих местах существенно более интенсивные ЭМП- 4) ограничение времени пребывания в тех зонах вблизи индукторов и конденсаторов, где не превышаются ПДУ для кратковременных воздействий, а ПДУ с учетом энергетических нагрузок для максимального темпа работы ВЧ установок превышаются незначительно- 5) использование вспомогатель-ных электродов рабочих конденсаторов при сварке изделий больших размеров.

9. Все положения диссертационной работы (расчет уровней поля на рабочих местах и времени облучения за смену, методы защиты рабочих мест, в том числе эффективность локальных экранов, оценка уровней электромагнитного поглощения) прошли апробацию в производственных условиях. Реализация методов анализа облучаемости и защиты рабочих мест проводилась для типовых промышленный установок: ЛГС-1,5- «Korting-Kiefel» — УЗП-2,5-АВЧД 6- 4/27- ПЗП- 2500- ГД-2500- «Bartrev» — «Triumph» — ВЧД12−160/13- ВЧИ-25/0,44- ВЧИ7−10/0,44- ВЧИ2−100/0,066- ВЧ34−60/0,066- ВЧ31−100/0,066- ВЧГЗ-160/0,066- ЛП-67- ЛГ-7- ИН-250/4 а также для опытных образцов индукторов и рабочих конденсаторов. Реализация предложенного комплекса методов защиты рабочих мест позволила снизить уровни ЭМП на рабочих местах до нормированных значений и обеспечить 2-ой (допустимый) класс условий труда.

Сформулированные теоретические и экспериментальные положения позволяют проводить в будущем более полный и детальный анализ условий труда производственного персонала, облучаемого электромагнитными полями, и вырабатывать необходимые методы защиты как на стадии.

333 эксплуатации установок, так и на стадии разработки нового оборудования.

Не менее важным является также дальнейшая разработка и применение метода вторичных источников в задачах охраны труда и экологии, где он используется еще недостаточно широко. Представляется, что прогресс в этом направлении не только позволит добиться улучшений условий труда и жизнедеятельности, но будет содействовать разработке общей методологии электротехнических и медико-биологических исследований.